基于FBG的液位和温度同时测量方法

摘要

光纤传感器因具有抗电磁干扰、电绝缘、抗腐蚀、灵敏度高、小巧等特点，可工作在高温、强腐蚀性、强电磁场等恶劣环境中，现已成为传感器领域的一个研究热点。作为光纤传感器中不可或缺的一员，基于光纤布喇格光栅的传感器也在不断完善。光纤布喇格光栅传感器信号采用波长调制，与其他光纤传感器相比，更不易受外界环境干扰，具有精确度高、稳定好、易于分布式监测、易于解调等特点。鉴于光纤光栅的诸多优点，本文拟将光纤光栅应用在易燃易爆场合的液位和温度同时测量领域。
　　本文涉及材料、信息、光学、机械等多学科知识，主要做了以下工作:
　　1.首先分析了现有的采用光纤检测液位、液位和温度同时测量的方法，提出了用光纤布喇格光栅(FBG)同时测量液位和温度所具有的优越性。
　　2.阐述了光纤布喇格光栅的工作原理，分析了光纤布喇格光栅的应变、温度传感特性，重点研究了FBG对应变和温度的交叉敏感问题，提出了液位和温度的区分测量方法。
　　3.在总结已有研究成果的基础上，提出了采用等强度悬臂梁、薄膜片、L型杠杆的高灵敏度液位传感器结构。通过建立传感器的数学模型，分析了传感器各结构参数对整个传感器性能的影响，并选取适当的参数，使其适用于液位和温度同时测量，最后完成了整个的结构设计。
　　4.分析了现有的FBG解调方法，并针对本论文设计的传感器，提出了采用LPG双边沿滤波FBG解调法，并给出了系统结构设计图。
　　5.进一步分析了该传感器结构存在的不足之处，并提出了改进方向。
　　本文的研究成果为光纤布喇格光栅的区分测量方法、高灵敏度压力（液位）传感器的研究提供了一定的理论和实际应用依据，并为光纤布喇格光栅在油库、化工等易燃易爆场合的实际应用打下了良好的基础。

目录

声明

摘要

主要符号对照表

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 光纤传感器技术概述

1．3 光纤光栅传感器在液位、温度测量中的应用

1．4 本文主要研究内容

第2章 光纤光栅基本原理与传感技术

2．1 光纤布喇格光栅传输的基本原理

2．1．1 光纤光栅的结构

2．1．2 光纤光栅的种类

2．1．3 FBG耦合模理论

2．1．4 FBG的反射谱仿真

2．2 FBG的传感特性

2．2．1 FBG的温度特性

2．2．2 FBG的应变特性

2．2．3 FBG的交叉敏感问题

2．3 FBG的制作

2．4 小结

第3章 传感器设计

3．1 传感器结构图

3．1．1 传感器设计模型及工作原理

3．1．2 悬臂梁的选择

3．1．3 薄膜片的选择原则

3．2 传感器力学特性分析

3．3 传感器灵敏度

3．4 传感器结构参数选择

3．5 小结

第4章 传感器解调

4．1 常用光纤光栅解调方法

4．1．1 直接解调法

4．1．2 可调谐F-P滤波法

4．1．3 非平衡迈克尔逊干涉仪解调法

4．1．4 匹配滤波法

4．1．5 可调谐窄带激光检测法

4．1．6 倾斜光栅(TFBG)的边沿滤波解调法

4．1．7 基于光纤环镜的FBG解调

4．2 基于长周期光纤光栅的FBG解调

4．2．1 长周期光纤光栅光谱特性

4．2．2 LPG边沿滤波解调FBG原理

4．2．3 基于LPG的双边沿滤波FBG解调法

4．3 传感系统

4．3．1 系统结构图

4．3．2 传感器系统仿真

4．4 小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 不足与展望

参考文献

致谢